一种基于有限测试点的构件残余应力场的预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无损检测技术领域，更具体地，涉及一种基于有限测试点的构件残余 应力场的预测方法。
【背景技术】
[0002] 物体在不受外力时，内部表现出的保持自相平衡的应力系统，通常被称为残余应 力。各种机械加工工艺，例如切削、铸造、热处理、焊接、装配等都会不同程度的产生残余应 力，残余应力对材料的静态力学性能、应力腐蚀性能、抗疲劳性能、尺寸稳定性以及使用寿 命均有着显著的影响，如何精确预测构件内部残余应力场分布对构件的材料及结构设计具 有重要意义，已成为业内人士近些年来普遍关注的焦点问题。
[0003] 目前，构件残余应力获取的方法通常有实验测试法和有限元仿真法。其中，实验测 试法按对构件的破坏性有无损检测法和有损检测法两类，X射线法等无损检测法虽然可以 检测构件残余应力，但只能检测构件表面或近表面位置残余应力分布；打孔法、剥层法等有 损检测法可以检测构件内部一定深度位置残余应力分布，但由于对构件的破坏性，使其在 工程实际应用中都受限。有限元仿真法是另一种获知构件残余应力场分布的方法，但目前 的研宄大都是从构件实际制造过程例如铸造、切削、焊接等方面去模拟得到其分布，由于毛 坯铸件自然放置后，残余应力相应发生了变化，仅仅以铸造过程进行模拟无法对残余应力 场进行表征，同时，由于缺乏对毛坯初始应力场的正确的表征方法，致使预测结果与实际结 果误差较大，同时对于构件制造过程复杂或者不知制造工艺的构件其残余应力预测难于仿 真实现。
[0004] 由此可见，现在迫切需要研发一种适合毛坯件、制造过程复杂、制造工艺未知的各 种构件的残余应力场的通用预测方法，为构件的结构设计和制造、使用提供重要支持，以使 构件更好地满足工程实际需要。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于有限测试点的构件残 余应力场的预测方法，以给予构件残余应力场预测，为构件的结构设计和使用提供重要支 持。
[0006] 本发明提供一种基于有限测试点的构件残余应力场的预测方法，包括：
[0007] 步骤1对构件建模并离散化，将所述构件划分为多个八节点六面体等参单元，其 中所述构件整体节点个数为偶数，提取每一节点的坐标值，记录各单元的节点组成信息；
[0008] 步骤2对各单元的节点进行分类，选取每个单元的四个节点为该单元的应力形质 点，未被选取的节点为该单元的非应力形质点，求解单元位移形函数矩阵N、单元应力函数 矩阵M，然后根据求得的所述单元位移形函数矩阵N、所述单元应力函数矩阵M，求解单元矩 阵k e;
[0009] 步骤3建立应力形质点残余应力向量列阵0、整体节点载荷列阵R，并根据所述应 力形质点残余应力向量列阵〇、所述整体节点载荷列阵R和所述单元矩阵k%求解整体矩 阵K ;
[0010] 步骤4确定实验测试点个数、分布，对所述构件表面残余应力进行无损检测并记 录每个实验测试点的6个应力分量；
[0011] 步骤5根据所述步骤3所得的应力形质点残余应力向量列阵0、等效载荷列向量 R、整体矩阵K，将所述步骤4所得的残余应力测试结果作为残余应力边界条件，代入关系式 K〇 = R求得所有应力形质点残余应力；
[0012] 步骤6根据所述步骤5所得的应力形质点残余应力和所述步骤2所得的单元应力 函数矩阵M，求解非应力形质点残余应力，从而可得所述构件的残余应力场。
[0013] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果：
[0014] 本发明基于构件中的残余应力场、位移连续以及在研宄的时刻残余应力场是平衡 的假设，利用有限的表面点的残余应力测试值对构件残余应力场进行预测。本发明对构件 进行结构离散化为具有偶数个节点的多个8节点六面体等参单元，并对每个单元节点进行 分类划分为4个应力形质点和4个非应力形质点，建立了基于八节点的位移形函数矩阵和 基于应力形质点的应力函数矩阵，求解得到单元矩阵，确保了应力形质点应力连续性，提高 了预测精度；根据节点受力平衡得出整体矩阵，根据整体矩阵的秩得出测试点数目和分布， 大大降低了测试点个数并避免了实验测试的盲目性；通过有限的表面测试点，根据得出的 整体方程，先预测构件应力形质点残余应力，再得到构件非应力形质点残余应力，从而得到 预测构件的残余应力场，避免了对构件进行破坏实验便实现了得知构件内部残余应力的分 布，而且不受构件材料结构形状的限制，尤其在未知构件制造工艺以及复杂构件残余应力 预测具有明显优势。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明基于有限测试点的构件残余应力场的预测方法的流程图；
[0016]图2为本发明实施例的结构离散化的示意图；
[0017]图3为本发明实施例的单元节点坐标系中位置及排序示意图；
[0018] 图4为本发明实施例的测点划分示意图；
[0019] 图5为本发明实施例的测点示意图。
【具体实施方式】
[0020] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼 此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0021] 本发明基于构件中的残余应力场、位移连续以及在研宄的时刻残余应力场是平衡 的假设，鉴于构件表面残余应力是可测的，采用有限元理论，基于实验测试值，进行求解构 件残余应力场。
[0022] 图1所示为本发明基于有限测试点的构件残余应力场的预测方法的流程图，具体 包括以下步骤：
[0023]步骤1结构离散化：
[0024] 对构件建模并离散，提取整体节点的坐标值，记录各单元的节点组成信息，具体包 括以下子步骤：
[0025] (1-1)对构件进行建模，编程或借助有限元软件进行网格划分，将构件划分为多个 八节点六面体等参单元，整体节点个数为偶数；
[0026] (1-2)提取整体节点坐标值、各单元的节点组成信息，将提取的整体坐标系xyz下 的坐标值、各单元的节点信息分别以文本格式保存。在本发明实施例中，保存节点坐标值的 节点文件每行由节点号、x坐标、y坐标、z坐标组成，四者之间用逗号隔开，保存单元的节点 信息的单元文件每行由单元号、第1节点号~第8节点号组成，之间用空格隔开。
[0027] 步骤2对节点进行分类、求解单元矩阵ke:
[0028] 根据步骤1得到的节点文件和单元文件，根据可观可测、应力连续、位移连续假 设、有限元理论，对各单元的节点进行分类，选取每个单元的四个节点为该单元的应力形质 点，未被选取的节点为该单元的非应力形质点，求解单元位移形函数矩阵N、单元应力函数 矩阵M，然后利用求得的单元位移形函数矩阵N、单元应力函数矩阵M，求解单元矩阵k%具 体包括以下子步骤：
[0029] (2-1)对各单元的节点进行分